Principes de la thermodynamique et des fonctions d'état

els des principes de la thermodynamique et de fonctions d'état

1. Premier principe ; énergie interne (U), Enthalpie (H)

2. Spontanéité d'un processus et relation avec la notion de réversibilité

3. Second principe ; Entropie (S)

4. énergie libre de Gibbs (G)

5. Conditions d'états standard chimique et biochimique

III. Variation d'énergie librede Gibbs et constante d'équilibre d'une réaction

1. établissement de la relation : ΔG = ΔG°' + RT Ln (rapport concentrations dans la cellule)

2. Processus à l'état stationnaire ou à l'état d'équilibre

3. Irréversibilité d'une réaction et régulation des voies métaboliques

IV. L'ATP : principale source d'énergie dans la cellule

1. Couplage des réactions biochimiques

2. Structure et hydrolyse de l'ATP

3. Couplage de l'hydrolyse de l'ATP et de la biosynthèse de molécules par transfert de groupement phosphoryle

4. L'énergie d'hydrolyse de certains métabolites est couplée à la synthèse de l'ATP

5. Le coenzyme A : un autre composé à haut potentiel énergétique impliqué dans le transfert de groupe acyle

6. Les enzymes et l'abaissement de l'énergie d'activation (voir une animation)

I. Introduction au métabolisme et à la bioénergétique

1. Pour vivre les organismes doivent extraire de l'énergie à partir de la matière environnante et la convertir en d'autres formes d'énergie propres à leur existence. Les organismes peuvent être divisés en deux classes étroitement liées :

les phototrophes qui reçoivent l'énergie lumineuse du soleil et qui la convertissent en une énergie chimique sous forme de molécules organiques complexes

les chimiotrophes qui vont dégrader ces molécules organiques par oxydation et refournir des molécules simples aux phototrophes.

En conséquence, toute cellule vit et se développe grâce à un échange ininterrompu de matière et d'énergie avec le milieu environnant. Les organismes vivants constituent ce que l'on appelle des système ouverts et tout le reste constitue le milieu extérieur.

2. Toute cellule est le siège de milliers de réactions biochimiques qui mettent en jeu des transferts de matière et d'énergie.

Cet ensemble de réactions s'appelle le métabolisme. Les réactions forment un réseau de voies très ramifiées le long desquelles les molécules, que l'on appelle des métabolites, sont transformées.

Certaines voies métaboliques libèrent de l'énergie en décomposant des molécules de structure élaborée en composants élémentaires de structure plus simples pour finir par l'oxydation complète des biomolécules en CO2 et H2O. Cet ensemble de processus de dégradation s'appelle le catabolisme.

La respiration cellulaire dans les mitochondries en est un exemple caractéristique.

A l'inverse, l'énergie libérée au cours des processus cataboliques est utilisée pour fabriquer un très large ensemble de molécules complexes à partir de quelques précurseurs simples. Cet ensemble de réactions de biosynthèse s'appelle l'anabolisme.

Un exemple en est la photosynthèse dans les chloroplastes ou la synthèse des protéine à partir d'acides aminés.

L'ensemble de ces réactions se déroulent à une très grande vitesse, bien supérieure à celles qu'elles auraient isolément dans la nature, grâce à des catalyseurs biologiques que sont les enzymes.

3. En conclusion, la cellule va constamment :

capter de l'énergie du milieu extérieur (par exemple l'énergie lumineuse)

céder une partie de cette énergie au milieu extérieur sous forme de chaleur

transformer le "reste" de cette énergie en travaux cellulaires. Quasiment tous les travaux cellulaires résultent d'un mécanisme chimique : le transfert d'un groupement phosphoryle d'une molécule, l'adénosine triphosphate (ou ATP).

Tous les êtres de la biosphère dépendent de cette transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique.

Transformation de l'energie

Voici des exemples de travaux cellulaires :

travail mécanique comme la contraction musculaire ou le mouvement des chromosomes lors de la reproduction

travail de transport comme le passage de substance au travers des membranes cellulaires à l'encontre de leur gradient de concentration

travail chimique : certaines réactions nécessitent de l'énergie pour se produire ou bien au contraire en fournissent à d'autres qui sinon n'auraient pas lieu

C'est le travail chimique qui est développé dans ce cours.

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II. Rappels des principes de thermodynamique et de fonctions d'état

On ne peut expliquer les principes qui régissent les mouvements de matière et d'énergie entre les organismes et leur environnement et au sein des organismes eux-mêmes qu'en faisant appel aux lois de la thermodynamique.

L'application des lois de la thermodynamique aux réactions biochimiques constitue la bioénergétique.

Rappelons tout d'abord les deux formes principales d'énergie :

Toute molécule qui effectue un travail, quel qu'il soit, possède une énergie cinétique.

A l'inverse,

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